光子是一個能量包，它是量子力學的基礎。聲子是幾個原子的集體振動，這兩個概念在物理學中都非常重要。此外，光子理論是大多數(shù)現(xiàn)代物理學所依賴的基本理論。

近日，紐約城市學院的研究團隊發(fā)現(xiàn)了一種將兩種不同狀態(tài)的物質結合起來的新方法。他們第一次將光子和聲子相結合，并以穩(wěn)健和可控的方式控制它們的傳播。

該研究利用了拓撲光子學，這是光子學的一個新興方向。它利用了數(shù)學拓撲領域關于守恒量的基本思想—拓撲不變量，即在連續(xù)變形下改變幾何物體的部分時保持不變的守恒量。這種不變量的一個最簡單的例子是洞的數(shù)量，例如，從拓撲的角度來看，這使得甜甜圈和馬克杯等價。

拓撲性質賦予光子螺旋性，當光子在傳播時自旋，會出現(xiàn)一些獨特的性能。由于與晶體振動的相互作用，這些螺旋光子可以利用振動引導紅外光。

這項研究的意義重大，特別是允許研究人員推進用于確定分子振動模式的拉曼光譜。該研究還為振動光譜(也稱為紅外光譜)帶來了希望，它通過吸收、發(fā)射或反射來測量紅外輻射與物質的相互作用。而且，還可利用它來研究、識別和表征化學物質。

研究的主要作者、CCNY格羅夫工程學院物理學家Alexander Khanikaev說：“我們將螺旋光子與六方氮化硼中的晶格振動耦合，創(chuàng)造了一種新的混合物質，稱為聲子—極化激元(phonon-polaritons)。它一半是光，一半是振動。由于紅外光和晶格振動與熱有關，我們創(chuàng)造了光和熱一起傳播的新通道。”

新方法還可以實現(xiàn)定向輻射傳熱，這是一種通過電磁波散發(fā)熱量的能量傳遞形式。

該研究論文題為“Topological phonon-polariton funneling in midinfrared metasurfaces”，已發(fā)表在Science上。

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